LED照明亮度控制新技術特征

前言

如今電源管理技術的發展趨勢是，以太網供電技術巨大市場近在咫尺，電源IC應身兼多職，電源轉換IC集成LDO和DC/DC轉換器、LED/LCD/OLED驅動器以其他的功率半導體器件和電源模塊。本文僅對LED/LCD/OLED驅動器中的調光控制技術問題作研討。LED推動了照明革命，而LCD背光仍是主要LED應用。其LED已經被用于各種室內及室外裝飾照明應用，而且開始盯上手電、花園燈和街燈等利基通用照明應用。這些用途為LED照明正在家庭與企業照明領域開辟市場。LED是通用照明的未來是發光效率超過100流明/瓦的高通量LED的開發，使得LED不需要逆變器就能利用交流電工作，從而推動LED更加接近主流的通用照明市場。從而背光照明的亮度控制是LED照明革命中的重要技術，于是便有下文所述的LED照明亮度控制的新技術特征與應用的分析介紹。

1、背光照明亮度控制的拓撲

背光照明亮度控制的拓撲即調光方法，包括使用低頻和高頻信號進行脈寬調變(PWM)、直流電壓控制及電阻調光的等調光技術。值此之介紹直流電壓控制及電阻調光。

1.1直流電壓調光

圖1是以ZETEX的ZXLD1350 驅動器為例的典型直流電壓調光示意圖。

其ZXLD1350 驅動器是連續電感式降壓轉換器，內置部開關而輸出電流達350mA，輸入電壓范圍在7V至30V之間.其特點是ZXLDl350配備多功能的調節腳，可通過控制LED的電流.以多種方式調節LED的亮度。

圖1

TLV431作為分路調節器，以產生外置的1.25V電壓基準。此電壓基準準被運用至VRl電位以提供0-1.25V的調光電壓。使用外置的調節器將影響電流設定的準確性。相對于內置電壓基準，使用1%電壓基準，使用1%LED電流更加準確。調節針可通過外置的直流電壓(VADJ)進行過驅動，以獲得超過內置的電壓基準，并調整輸出電流使其超出或低于額定值。此時的額定輸出電流為：

請注意，100%的亮度設定與VADJ =VREF相對應。如果VIN達到最大值2.5V，則RSENSE應增加2倍RS。這將使功率小幅降低1%到2%。調節針的輸入阻抗為200kV+20%。如果直流電壓的輸出阻抗相對較高，這可能有所影響。

1.2新的調光技術-PWM調制技術的應用

由于LED發出的光的波長與器件內被驅動的正向電流關系密切。為了防止色調變化，須精心選擇調光方法。以往最常用的調光方法是改變器件上的正向電流或電壓。不幸的是電流或電壓的變化都會改變光的波長，這種效應與波長成本正比，較長的波長經受的色調對電流的變化最強。在很多應用中，這種結果是不能接受的，如果采用PWM調制技術，就可以給LED正確調光，不會引起波長變化。LED的通斷操作是通過改變占空比實現的，這時正向電流(1F)是恒定電流。

1.21低頻高頻調光采用

低頻調光是由于LED具備穩定的瞬時驅動電流，因此適合采用低頻凋光。LED的色溫在所有亮度下保持不變。低頻調光的另一個優點是可將亮度降至1%。因此調光范圍為100：I。而頻率選擇是為避免可見閃爍，脈寬凋變(PWM)信號必須大于100Hz。如果所選的頻率過高，內置低通濾波器將開始合并PWM信號，并產生非線性反應。同時調節針的軟啟動功能將導致PWM信號的上升或下降發生延遲。這將使LED電流具備非線性特性，在頻率增加時影響更為顯著。

常見的低頻和高頻信號進行脈寬調變(PWM)示意見圖2所示.該圖2是以ZETEX的ZXLD1350 驅動器為例的脈寬調變(PWM)示意圖。

圖2

建議上限為lkHz。電感器可能的聽得見的噪音的影響也需要加以考慮。某些線圈松動的電感器可能出現此類情況，PWM頻率為lkHz時將比100Hz更加明顯。

如果系統要求低輻射放射和輸入/輸出駭波，則適合采用高頻調光。但調光范圍將降至5：l。ZXLDl350具備整合高頻脈寬調變(PWM)信號的內置低通濾波器，可進行直流調光控制。如果PWM頻率高于10kHz左右，且占空比大于指定的最小值，裝置將保持活動狀態，輸出也將持續不變.

*輸入緩沖晶體管

進行PWM調光時，輸入雙極晶體管Q宜使用集電極開路輸出(見圖2所示)。以確保達到200mV的輸入關閉閾值。不使用緩沖晶體管也可直接進行PWM，但必須格外謹慎。該操作將使內置的1.25V電壓基準負荷過多.如果100%PWM(直流)使用2.5V輸入電壓，進入LED的輸出電流將達到正常電流的2倍.并可能損壞ZXLDl350。使用5V邏輯信號進行過驅動將極有可能在超出調節針額定電壓時損壞裝置。

*軟啟動及去耦電容器

調節針上的任何附加電容器都將影響PWM信號上升和下降。由于上升時間將增加大約0.5ms/nF，因此需對此加以考慮。將其與100Hz PWM進行對比，50%占空比時開啟時間Ton，及關閉時間Toff為5ms，1%占空比時開啟時間Ton為0.Ims。調節針上的lnf將導致0.5ms的上升時間，這將造成以低占空比進行調光時出錯和受到限制。

1.22利用線性以及PWM輸入信號準確控制亮度

圖3所示為技術應用圖。采用可滿足這方面需要的LM3402/02HV開關穩壓器，其特點是采用高度整合的技術，而且效率較高，以及可以準確控制溫度/亮度。這個方案的優點是可以準確控制亮度，而且功耗較低，所需的外置組件也最少。

圖3中LM3402/02HV開關穩壓器設有專用的亮度控制(DIM)接腳(見圖3所示)，可以利用線性以及PWM輸入信號準確控制亮度。利用發光二極管發光的照明系統普遍采用PWM的光暗控制方式控制燈光亮度，這個亮度控制方法已成為業界普遍采用的標準。只要調節正向發光二極管的電流，發光二極管的光線輸出量便會按照線性方式增減，但大部分光線的波段會出現偏移現象。部分應用對顏色的要求并不十分嚴格，因此仍會采用線性的亮度控制方式，但汽車燈如煞車燈、液晶顯示器背光以及直接顯示的RGB發光二極管對亮度及色彩都有極嚴格的要求，因此這類應用一般都會采用PWM方式控制亮度。

圖3

LM3402/02HV開關穩壓器特征：輸入電壓范圍(LM3402HV)：6V～75V，采用降壓穩壓器的線路布局;可為發光二極管提供恒定的驅動電流，回授電壓為200mV;當RON接腳處于低電位時，停機電流便會進一步降低;準確的PWM亮度控制;開關頻率高達1MHz;設有磁滯功能，而且導通時間固定，因此可以在整個輸入電壓范圍內進行開關頻率(FSW)控制。

1.23一個PWM控制的串聯開關的應用

當PWM頻率高于100Hz時，人眼是無法察覺單個脈沖的，但是，整合這些脈沖把它們理解為亮度，通過線性改變占空比，就可以線性改變亮度，而不會有任何波長變化。如圖2所示，調節LED亮度的最常用的方法是一個PWM控制的串聯開關。因為正向工作電流相對較高，所以選擇開關時必須小心，確保開關能夠處理傳導損耗。

圖4

為了克服這個問題，這個方案取消了串聯開關，而且還人幅度提高了能效。圖4所示為新的調光技術的框圖引用了ST公司的新型技術。這項新技術存在于兩個控制回路內：一個電流回路和—個電壓回路(見圖4所示)。當需要最大的亮度時，電流同路以穩定的正向電流驅動LED;在調光操作期間，電流控制回路將會限制最大輸出電流，同時電壓回路將維持輸出電壓低于LED陣列閾壓之和。當斷開LED時，電壓回路將控制最大輸出電壓。該新的調光技術的框圖。因為不再使用電源開關，我們就可以得到一個更加低廉的高效解決方案。

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